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通过仿真防止大气腐蚀

发布时间2019-12-18人气:64

通过仿真防止大气腐蚀




如果您曾经生活在潮湿的地方,则可能熟悉一种称为大气腐蚀的现象,这种现象的常见结果是日常生锈。这种类型的金属腐蚀经常发生,以至于建筑和制造领域的专业人员经常使用某种形式的腐蚀防护,即使只是在金属上涂一层涂层也是如此。为了有效地分析腐蚀过程并优化预防技术,工程师可以使用COMSOLMultiphysics®软件。

防止设计生锈

大气腐蚀是金属与电解质(例如水)接触时发生的电化学现象。即使是一小层湿气,也足以随着时间的推移对结构造成很多破坏。漫长的冬天过后,您可能已经看到了这种效果。当雪开始融化时,您不小心离开的自行车就生锈了。导致大气腐蚀的其他因素包括城市的空气污染海洋环境中的盐分

生锈的排气管的图片。.
生锈的排气管。

由于不容易预测或控制环境因素,因此许多工程师采用各种方法来保护其设计免受大气腐蚀。例如,根据环境的不同,制造商可能会选择使用比其他金属(例如钢和铁)更自然抗腐蚀的金属(例如铜和铝)。其他形式的保护包括在设计上施加保护层,例如不太贵重的金属(例如,镀锌锌钢,镀锡铜);以及 涂料; 或防腐材料。

通过阴极和阳极保护减少腐蚀

减少大气腐蚀的另一种策略是采用阴极保护。与电解质接触的金属具有发生氧化(保护)的阴极区域和发生还原(腐蚀)的阳极区域。腐蚀的金属通常会被氧化,释放出的电子会参与阴极反应。尽管技术各不相同,但阴极保护涉及从外部源(如电流)向金属提供电子。阴极保护对于常见的环境很有用,例如金属会暴露在水中。

例如,通过在锌镀锌钢中涂覆金属涂层,锌将成为阳极,因为它的贵金属较少,并且每当钢因锌层的损坏而暴露于电解质中时,就可以保护阴极钢免受腐蚀。 。还有其他阴极保护方法,例如使用牺牲阳极或施加电流,但是这些方法仅在将物体浸入电解质(例如水)中时才是可靠的。

在某些环境中,也可以使用阳极保护。该方法涉及通过施加受控的小阳极电流将金属偏置到无源区域。该电流将产生一个钝化的薄薄膜层,从而“阻止”阳极腐蚀反应。它通常用于腐蚀性极强的环境中,例如当不锈钢暴露于磷酸中时。

借助COMSOL Multiphysics和附加的腐蚀模块,工程师可以评估设计中的阴极和阳极保护,电解质电势和腐蚀反应。例如,让我们看一下母线的模型,母线是用于在建筑物,车辆等中分配功率母线,因此会在许多不同的环境中受到大气腐蚀。

模拟母线的大气腐蚀

此大气腐蚀示例中母线由多种材料和零件组成:

  • 铜法兰

  • 铝法兰

  • 锌螺母和螺栓

母线槽几何图形,包括铜法兰,铝法兰和锌螺母和螺栓。
母线槽的几何形状由铜法兰,铝法兰和锌螺母和螺栓组成。

这些表面中的每一个都引起两个反应:

  1. 金属溶解,其中反应动力学由阳极Tafel表达式描述

  2. 氧还原,其中反应动力学由阴极Tafel表达式描述

在该示例中,后一种反应(还原)受到氧气通过薄膜的传输的限制,极限电流密度取决于薄膜的厚度,氧气的溶解度和氧气的扩散率。

设置好几何形状后,母线将暴露在潮湿的空气中以开始腐蚀过程。首先,您可以使用“ 次级电流分布”界面来求解电极域中的电势。然后,您可以使用“ 电流分布,外壳”界面来解决薄电极层中的电解质电势。

电解质膜的厚度取决于盐负荷密度和相对湿度,而电导率和氧溶解度取决于周围空气的相对湿度。考虑到对相对湿度的依赖性,您可以采用在一般“ 大气腐蚀”模型中使用的相同表达式来获得电解质膜厚度,电解质电导率和氧溶解度。假定氧扩散率是恒定的。

在COMSOLMultiphysics®中评估仿真结果

结果首先是不同类型金属的基线电势变化,这可以帮助您确定哪些区域更容易受到腐蚀。在左下方的图像中,您可以看到施加的电流(100 A)导致汇流排上的电势下降约2.5 mV。

接下来,您可以检查金属中的电势与电解质膜电势之间的差异(右下方显示为电极电势相对于相邻参比的变化),这表明了大气腐蚀如何影响每种金属。请注意,它在铜法兰(红色)上为正,在锌螺母和螺栓(浅蓝色)和铝法兰(深蓝)上为负,表明铜比其他材料更贵重,而其他材料更容易腐蚀这个模型。

母线模型的屏幕截图,显示了电势变化。
汇流排模型的屏幕截图,显示了电解质膜的电势。

母线中的电位变化(左)。金属中的电位与电解质膜的电位(右)。

现在,让我们看一下电解质膜中的电解质电势变化,其结果可以在下面看到。通过检查覆盖母线的薄膜中的这种变化,您可以了解阳极和阴极区域可能发生反应的位置。

屏幕截图显示了母线模型和从覆盖母线的电解质膜获得的电解质电势。
在覆盖母线的电解质膜中获得的电解质电势。

研究阳极/金属溶解反应

要分析金属溶解反应,您可以从评估密度变化的局部电流开始。如下所示,该反应主要在铜法兰和锌螺栓(在锌表面)之间的交点处以及铝表面的铜和铝法兰之间的交点附近发生。这些结果表明,正如预期的那样,局部腐蚀区域发生在两种异种金属以及最少的贵金属之间。

该图显示了母线表面外部金属溶解电极反应的局部电流密度。
母线外表面上金属溶解电极反应的局部电流密度。

研究阴极/氧气反应

在阴极反应的结果中,您可以看到氧还原发生在铝和锌表面上。在此,显然氧气的输送限制了腐蚀过程,因为局部氧气还原电流密度的大小接近极限电流密度。

该图显示了汇流排表面外部氧还原电极反应的局部电流密度。
氧还原电极在母线外表面的反应的局部电流密度。

在研究了腐蚀过程并弄清楚每种反应的可能发生位置之后,工程师可以在考虑各种环境条件的情况下设计出对大气腐蚀有更好保护的母线。


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